У значајној објави увече 3. октобра 2023. године, представљена је Нобелова награда за физику за 2023. годину, којом се признаје изузетан допринос тројице научника који су одиграли кључне улоге као пионири у области атосекундне ласерске технологије.

Термин „атосекундни ласер“ потиче од невероватно кратког временског периода на којем ради, тачније реда величине атосекунди, што одговара 10^-18 секунди. Да би се схватио дубоки значај ове технологије, фундаментално разумевање шта атосекунд значи је од највеће важности. Атосекунда представља изузетно минутну јединицу времена, која чини један милијардити део милијардитог дела секунде у ширем контексту једне секунде. Да бисмо ово ставили у перспективу, ако бисмо секунду упоредили са високом планином, атосекунду би било слично једном зрну песка смештеном у подножју планине. У овом пролазном временском интервалу, чак и светлост једва може да пређе растојање еквивалентно величини појединачног атома. Коришћењем атосекундних ласера, научници стичу невиђену способност да испитују и манипулишу сложеном динамиком електрона унутар атомских структура, слично успореном приказивању кадар по кадар у кинематографској секвенци, чиме се удубљују у њихову интеракцију.

Атосекундни ласерипредстављају кулминацију опсежног истраживања и усмерених напора научника који су искористили принципе нелинеарне оптике за израду ултрабрзих ласера. Њихова појава нам је пружила иновативну тачку гледишта за посматрање и истраживање динамичких процеса који се одвијају унутар атома, молекула, па чак и електрона у чврстим материјалима.

Да би се разјаснила природа атосекундних ласера ​​и цениле њихове неконвенционалне особине у поређењу са конвенционалним ласерима, неопходно је истражити њихову категоризацију унутар шире „ласерске породице“. Класификација по таласној дужини смешта атосекундне ласере претежно у опсег од ултраљубичастих до меких рендгенских фреквенција, што указује на њихове знатно краће таласне дужине у поређењу са конвенционалним ласерима. Што се тиче излазних режима, атосекундни ласери спадају у категорију импулсних ласера, које карактерише изузетно кратко трајање импулса. Ради јасноће, ласери са континуалним таласом могу се замислити као слични батеријској лампи која емитује континуирани сноп светлости, док импулсни ласери подсећају на стробоскоп, брзо се смењујући између периода осветљења и таме. У суштини, атосекундни ласери показују пулсирајуће понашање унутар осветљења и таме, али њихов прелаз између два стања се одвија запањујућом фреквенцијом, достижући царство атосекунди.

Даља категоризација по снази сврстава ласере у категорије мале, средње и велике снаге. Атосекундни ласери постижу високу вршну снагу захваљујући изузетно кратком трајању импулса, што резултира израженом вршном снагом (P) – дефинисаном као интензитет енергије по јединици времена (P=W/t). Иако појединачни атосекундни ласерски импулси можда немају изузетно велику енергију (W), њихов скраћени временски опсег (t) даје им повећану вршну снагу.

Што се тиче области примене, ласери обухватају спектар који обухвата индустријске, медицинске и научне примене. Атосекундни ласери првенствено проналазе своју нишу у области научних истраживања, посебно у истраживању брзо еволуирајућих феномена у областима физике и хемије, нудећи увид у брзе динамичке процесе микрокосмичког света.

Категоризација према ласерском медијуму разграничава ласере као гасне ласере, ласере у чврстом стању, течне ласере и полупроводничке ласере. Генерисање атосекундних ласера ​​обично зависи од гасних ласерских медијума, користећи нелинеарне оптичке ефекте за стварање хармоника вишег реда.

Укратко, атосекундни ласери представљају јединствену класу ласера ​​кратког импулса, који се одликују изузетно кратким трајањем импулса, обично мереним у атосекундама. Као резултат тога, постали су неопходни алати за посматрање и контролу ултрабрзих динамичких процеса електрона унутар атома, молекула и чврстих материјала.

Сложени процес генерисања атосекундног ласера

Технологија атосекундних ласера ​​стоји у првим редовима научних иновација, поносећи се интригантно ригорозним скупом услова за своје генерисање. Да бисмо разјаснили замршености генерисања атосекундних ласера, почињемо са сажетим излагањем његових основних принципа, након чега следе живописне метафоре изведене из свакодневних искустава. Читаоци који нису упознати са замршеностима релевантне физике не морају да очајавају, јер метафоре које следе имају за циљ да учине основну физику атосекундних ласера ​​приступачном.

Процес генерисања атосекундних ласера ​​првенствено се ослања на технику познату као генерација високих хармоника (HHG). Прво, сноп фемтосекундних (10^-15 секунди) ласерских импулса високог интензитета је чврсто фокусиран на гасовити циљни материјал. Вреди напоменути да фемтосекундни ласери, слични атосекундним ласерима, деле карактеристике кратког трајања импулса и високе вршне снаге. Под утицајем интензивног ласерског поља, електрони унутар атома гаса се тренутно ослобађају из својих атомских језгара, пролазно улазећи у стање слободних електрона. Како ови електрони осцилују као одговор на ласерско поље, они се на крају враћају и рекомбинују са својим матичним атомским језгрима, стварајући нова високоенергетска стања.

Током овог процеса, електрони се крећу изузетно великим брзинама, и након рекомбинације са атомским језгрима, ослобађају додатну енергију у облику високохармонијских емисија, манифестујући се као фотони високе енергије.

Фреквенције ових новогенерисаних фотона високе енергије су целобројни вишекратници оригиналне ласерске фреквенције, формирајући оно што се назива хармоници високог реда, где „хармоници“ означавају фреквенције које су интегрални вишекратници оригиналне фреквенције. Да би се постигли аттосекундни ласери, неопходно је филтрирати и фокусирати ове хармонике високог реда, одабиром специфичних хармоника и њиховим концентрисањем у фокалну тачку. По жељи, технике компресије импулса могу додатно скратити трајање импулса, дајући ултракратке импулсе у атосекундном опсегу. Очигледно је да генерисање атосекундних ласера ​​представља софистициран и вишеслојан процес, који захтева висок степен техничке вештине и специјализовану опрему.

Да бисмо демистификовали овај сложени процес, нудимо метафоричку паралелу засновану на свакодневним сценаријима:

Високоинтензитетни фемтосекундни ласерски импулси:

Замислите да поседујете изузетно моћан катапулт способан да тренутно баца камење колосалним брзинама, слично улози коју играју високоинтензитетни фемтосекундни ласерски импулси.

Гасовити циљни материјал:

Замислите мирну водену површину која симболизује гасовити циљни материјал, где свака капљица воде представља безброј атома гаса. Чин бацања камења у ову водену површину аналогно одражава утицај високоинтензитетних фемтосекундних ласерских импулса на гасовити циљни материјал.

Кретање и рекомбинација електрона (физички названо прелаз):

Када фемтосекундни ласерски импулси ударе у атоме гаса унутар гасовитог циљног материјала, значајан број спољашњих електрона се тренутно побуђује у стање у којем се одвајају од својих атомских језгара, формирајући стање слично плазми. Како се енергија система накнадно смањује (пошто су ласерски импулси инхерентно пулсирајући, са интервалима прекида), ови спољашњи електрони се враћају у близину атомских језгара, ослобађајући фотоне високе енергије.

Генерација високих хармоника:

Замислите да сваки пут када капљица воде падне назад на површину језера, она ствара таласе, сличне високим хармоницима у атосекундним ласерима. Ови таласи имају веће фреквенције и амплитуде од оригиналних таласа изазваних примарним фемтосекундним ласерским импулсом. Током HHG процеса, снажан ласерски зрак, сличан континуираном бацању камења, осветљава гасну мету, која подсећа на површину језера. Ово интензивно ласерско поље покреће електроне у гасу, аналогно таласима, даље од њихових матичних атома, а затим их повлачи назад. Сваки пут када се електрон врати атому, он емитује нови ласерски зрак са вишом фреквенцијом, сличним сложенијим обрасцима таласа.

Филтрирање и фокусирање:

Комбиновањем свих ових новогенерисаних ласерских зрака добија се спектар различитих боја (фреквенција или таласних дужина), од којих неке чине атосекундни ласер. Да бисте изоловали одређене величине и фреквенције таласа, можете користити специјализовани филтер, слично одабиру жељених таласа, и користити лупу да бисте их фокусирали на одређено подручје.

Компресија импулса (ако је потребно):

Ако циљате на брже и краће ширење таласа, можете убрзати њихово ширење помоћу специјализованог уређаја, смањујући време трајања сваког таласа. Генерисање атосекундних ласера ​​подразумева сложену интеракцију процеса. Међутим, када се разложи и визуализује, постаје разумљивије.